JP5410443B2 - Method and system for adjusting the cooling capacity of a cooling system based on a gas expansion process - Google Patents
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Description
本発明は、特許の請求項1および25の各プリアンブルにおいて見られるように、気体の膨張プロセスに基づく冷却システムの冷却能力の調整のための方法およびシステムに関する。 The present invention relates to a method and system for adjusting the cooling capacity of a cooling system based on a gas expansion process, as can be seen in the preambles of claims 1 and 25 of the patent.
冷却原理として気体の膨張に基づく冷却プロセスは、天然ガスのLNGへの液化、または、空気の深冷分離など、気体または液体を非常に低い温度まで冷却するための、単純かつ強固な冷却装置が求められる場合にしばしば利用される。気体の膨張プロセスは、一般に、古典的なBrayton/Claude冷却プロセスに基づいており、この場合、ガス冷却媒体が、圧縮、冷却膨張およびその後の、冷却されるべき流体に対する熱交換に基づく仕事サイクルを経る。例えば、天然ガスの液化のため、予冷され、圧縮された気相の冷却媒体、一般には窒素または窒化炭素ガス、または混合物であって、タービン(例えば、放射状のタービン/ターボエキスパンダー)または膨張弁を横切って、予冷されるとともに膨張した冷却媒体を利用することができる。気体の膨張は、非常に冷たい気体、または気体および液体の混合物を導き、それは、その後、天然ガスを液化し、そして、圧縮された冷却ガスを予冷するのに利用される。プロセスは、単一の膨張ループ、または、2つまたはそれよりも多い膨張段階であって、並列または直列に連結された段階に基づくことができる。この場合、異なる膨張プロセスは、プロセスの効率を増大させるため、異なるプロセス状態(圧力、温度、流量)で作動する。しかしながら、大抵のプロセスにおいて一般的なのは、冷却媒体が、全体のプロセスを通して支配的に気相で存在している、ということである。 The cooling process based on gas expansion as a cooling principle is a simple and robust cooling device for cooling a gas or liquid to a very low temperature, such as liquefaction of natural gas into LNG or cryogenic separation of air. Often used when required. The gas expansion process is generally based on the classic Brayton / Claude cooling process, in which the gas cooling medium performs a work cycle based on compression, cooling expansion and subsequent heat exchange for the fluid to be cooled. It passes. For example, for liquefaction of natural gas, a pre-cooled and compressed gas phase cooling medium, typically nitrogen or carbon nitride gas, or a mixture comprising a turbine (eg a radial turbine / turbo expander) or an expansion valve A cooling medium that has been pre-cooled and expanded across can be utilized. The expansion of the gas leads to a very cold gas, or a mixture of gas and liquid, which is then utilized to liquefy natural gas and precool the compressed cooling gas . Process is a single expansion loop, or a two or more stage of inflation than be based on the concatenated stages in parallel or in series. In this case, different expansion processes operate at different process conditions (pressure, temperature, flow rate) to increase the efficiency of the process. However, common in most processes is that the cooling medium exists predominantly in the gas phase throughout the entire process.
気体の膨張プロセスにおいて冷却媒体が支配的に気相で存在しているので、これらのプロセスの能力の調整は、しばしば、骨の折れることとなる。能力の調整は、所望の冷却および/または液化を実施するために要求される冷却仕事がほとんどない場合に、適切なものとなっている。例えば、冷却または凝縮されるべき流体がシステムをほとんど流れない場合、または、冷却または液化されるべき流体が、特定の冷却仕事が低減されるよう構成を変える場合である。低減された能力は、限られた程度で、例えば、可変の入口ガイドベーン、または速度制御、または排出から圧縮機の吸引に戻る気体のリサイクルによって、冷却媒体の圧縮機の能率を低減することにより実現され得る。しかしながら、冷却媒体の容積流量を低減することにより、膨張タービンもまた、低減された効率および低いパワー出力を提供し、また、さらに重大なことには、膨張タービンの制御に関する問題が生じ、または、膨張タービンが、そのような動作範囲においては、時間が経過したときに動作され得ない。その場合、プロセスのために必要な、所望の低い温度が達成され得ないという状況が生じ得る。 Since the cooling medium is predominantly present in the gas phase in the gas expansion process, adjusting the capacity of these processes is often laborious. Capacity adjustment is appropriate when there is little cooling work required to perform the desired cooling and / or liquefaction. For example, when the fluid to be cooled or condensed hardly flows through the system, or when the fluid to be cooled or liquefied is reconfigured to reduce specific cooling work. The reduced capacity is, to a limited extent, by reducing the efficiency of the cooling medium compressor, for example, by variable inlet guide vanes, or by speed control, or by recycling the gas from exhaust to return to the suction of the compressor. Can be realized. However, by reducing the volumetric flow rate of the coolant, the expansion turbine also provides reduced efficiency and low power output, and more importantly, problems with expansion turbine control arise, or The expansion turbine cannot be operated when time has elapsed in such an operating range. In that case, a situation may arise where the desired low temperature required for the process cannot be achieved.
プロセスにおける冷却能力の低減のための設備に関連する制限の結果として、その他の原理が一般に使用される。この場合、閉じた冷却回路における冷却媒体の容量が低減される(閉ループから恒久的または一時的に取り除かれる)。このようにして、冷却回路全体における動作圧力が、高圧力側および低圧力側の両方において低減される。一般に、放射状の圧縮機および放射状のタービンが、そのような冷却プロセスにおいて用いられる。また、これらの機械における圧縮または膨張は、容積に基づいているので、設備は、単位時間あたり、比較的に一定の現実の容積を扱い続ける。動作圧力を低減することにより、同一の現実の容積流が循環されるが、重量流は低くなる。このようにして、低い冷却能率が、所要の圧縮仕事における対応する低減とともに実現される。一方、システムは、その設計ポイントの近くで動作する。 Other principles are commonly used as a result of equipment-related limitations for reducing cooling capacity in the process. In this case, the capacity of the cooling medium in the closed cooling circuit is reduced (removed permanently or temporarily from the closed loop). In this way, the operating pressure in the entire cooling circuit is reduced on both the high pressure side and the low pressure side. Generally, radial compressors and radial turbines are used in such cooling processes. Also, because the compression or expansion in these machines is based on volume, the facility continues to handle a relatively constant real volume per unit time. By reducing the operating pressure, the same real volume flow is circulated, but the weight flow is lower. In this way, a low cooling efficiency is achieved with a corresponding reduction in the required compression work. On the other hand, the system operates near its design point.
能力調整のための後者の方法に関する課題は、冷却能力の一時的な低減の場合における冷却ガスの損失である。大きな装置において、能力低減の期間の後、適切な品質の冷却ガス、例えば浄化された窒素を大量に供給するため、非常に長い時間を使う必要がある。従って、能力を回復させるのに長い時間がかかる。プロセスが作動する2つの圧力レベルの間でのガスの貯蔵所またはトラッピングによる代案が用いられ、また当該代案は、小さな装置のための合理的な代案を構成する。その他の解決法は、圧力容器における冷却媒体ガスの貯蔵器を有しており、これによって、さらなる量が必要とされる時、大量のガスが、冷却回路の中に注入され得る。 The problem with the latter method for capacity adjustment is the loss of cooling gas in the case of a temporary reduction in cooling capacity. In large equipment, after a period of capacity reduction, it is necessary to spend a very long time to supply a large amount of appropriately quality cooling gas, for example purified nitrogen. Therefore, it takes a long time to restore the ability. An alternative to gas storage or trapping between the two pressure levels at which the process operates is used, and that alternative constitutes a reasonable alternative for small devices. Other solutions have a reservoir of cooling medium gas in the pressure vessel, so that a large amount of gas can be injected into the cooling circuit when additional quantities are needed.
本発明は、気体の膨脹回路、とりわけ、大きい装置、例えばLNGの生成のための冷却装置のための能力調整における著しい最適化を表している。ここで、冷却プロセスが、以下のように修正される。すなわち、冷却媒体ガスが、液体形態での中間の貯蔵のため単純に冷却されるとともに、比較的に短い時間の中で液化される。そして、このようにして、冷却媒体ガスが、冷却回路から一時的に取り除かれる。その後、冷却回路は、その後のより低い動作圧力および低減された冷却能率において、より低い充填速度で動作する。液化されたガスは、冷却装置の能率を迅速に増大させるため、いつでも、冷却回路の中へ再び蒸発させられ得る。液体形態での、低い温度における冷却媒体ガスの貯蔵は、圧縮された形態のガスの貯蔵よりも著しく小さな貯蔵体積を必要するであろう。装置の能率が低減されており、また、装置における冷却能力の余剰がある場合、液化が、短い期間で実施されるので、冷却媒体ガスの液化は、冷却装置における大きな冷却能力を要求しない。 The present invention represents a significant optimization in capacity adjustment for gas expansion circuits, in particular large devices such as cooling devices for the production of LNG. Here, the cooling process is modified as follows. That is, the cooling medium gas is simply cooled for intermediate storage in liquid form and liquefied in a relatively short time. In this way, the cooling medium gas is temporarily removed from the cooling circuit. The cooling circuit then operates at a lower fill rate at subsequent lower operating pressures and reduced cooling efficiency. The liquefied gas can be re-evaporated into the cooling circuit at any time to quickly increase the efficiency of the cooling device. Storage of coolant gas at low temperatures in liquid form will require a significantly smaller storage volume than storage of gas in compressed form. If the efficiency of the device is reduced and there is a surplus of cooling capacity in the device, the liquefaction of the cooling medium gas does not require a large cooling capacity in the cooling device because liquefaction is performed in a short period of time.
本発明は、冷却媒体が全体の冷却回路を通じて気相で支配的になっている場合の、窒素膨張サイクルの全てのタイプ、または、純メタン、天然ガスまたは炭化水素の混合を使用するガス膨張サイクルなど、全てのタイプの気体の膨張回路における使用を意図している。ここで、冷却は、ガス冷却媒体を膨張させることにより得られる。 The present invention relates to all types of nitrogen expansion cycles, or a gas expansion cycle using a mixture of pure methane, natural gas or hydrocarbons, where the cooling medium is dominant in the gas phase throughout the entire cooling circuit. Are intended for use in all types of gas expansion circuits. Here, the cooling is obtained by expanding the gas cooling medium.
上述の課題は、独立請求項1に記載されているように、気体の膨張冷却のための冷却回路を使用する冷却システムの冷却能力を制御するための方法であって、
冷却回路において循環される冷却媒体の量を一時的に低減する工程であって、冷却媒体の部分が、より高い圧力で予冷されるとともに、冷却回路から取り除かれる工程と、
気相または液相にある、冷却された前記冷却媒体の部分を、膨張デバイスを横切ってより低い圧力へ膨張させ、これによって、冷却媒体の少なくとも一部分が低温液体(cold liquid)として分離する工程と、
貯蔵ユニットにおける一時的な貯蔵のため、凝縮されていない気体から凝縮された液体を分離し、これによって当該液体が一時的に、その他の場合なら閉じられている冷却回路において循環されなくなる工程と、
その後、必要な時に、一時的に貯蔵された液相の冷却媒体を貯蔵ユニットから冷却回路に戻す工程と、
凝縮されていない気体および蒸発した冷却媒体を、貯蔵ユニットから、冷却回路における適切な場所に戻す工程と、
からなる方法により実現される。
The above-mentioned problem is a method for controlling the cooling capacity of a cooling system using a cooling circuit for expansion cooling of a gas, as described in the independent claim 1, comprising:
Temporarily reducing the amount of cooling medium circulated in the cooling circuit, wherein a portion of the cooling medium is precooled at a higher pressure and removed from the cooling circuit;
Expanding the cooled portion of the cooling medium in the gas phase or liquid phase across the expansion device to a lower pressure, thereby separating at least a portion of the cooling medium as a cold liquid; ,
Separating condensed liquid from non-condensed gas for temporary storage in a storage unit, whereby the liquid is temporarily not circulated in an otherwise closed cooling circuit;
Thereafter, when necessary, returning the temporarily stored liquid phase cooling medium from the storage unit to the cooling circuit;
Returning the uncondensed gas and the evaporated cooling medium from the storage unit to a suitable place in the cooling circuit;
It is realized by the method consisting of
当該方法の好ましい形態は、従属請求項2−23に記載されている。 Preferred forms of the method are described in the dependent claims 2-23.
上述の課題は、独立請求項24に記載されているように、気体の膨張冷却に基づく冷却システムにおける能力低減のためのシステムであって、
熱交換器、または、冷却プロセスの支援を伴う熱交換器システムにおいて、より高い圧力でガス冷却媒体を冷却するためのデバイスと、
気相または液相で冷却された冷却媒体の支流のための排出口と、
支流をより低い圧力での流れに膨張させるための膨張デバイスと、
凝縮されていない冷却媒体の分離、および、凝縮された冷却媒体の一時的な貯蔵のための貯蔵器と、
凝縮されていない冷却媒体ガスおよび蒸発した冷却媒体を、貯蔵ユニットから、冷却システムにおける適切な場所に戻すためのリターンデバイスと、
必要とされる時、冷却媒体を貯蔵ユニットから冷却回路へ戻すリターンデバイスと、を備え、
冷却媒体を、閉じられた1つの冷却回路または複数の冷却回路から一時的に取り除くよう設けられているシステム、によって実現される。
The above-mentioned problem is a system for capacity reduction in a cooling system based on gas expansion cooling, as described in independent claim 24, comprising:
A device for cooling a gas cooling medium at a higher pressure in a heat exchanger or heat exchanger system with support of a cooling process;
An outlet for a tributary of a cooling medium cooled in the gas phase or liquid phase;
An expansion device for expanding the tributary into a flow at a lower pressure;
A reservoir for separation of the uncondensed cooling medium and temporary storage of the condensed cooling medium;
A return device for returning the uncondensed coolant gas and the evaporated coolant from the storage unit to the appropriate location in the cooling system;
A return device for returning the cooling medium from the storage unit to the cooling circuit when needed,
Realized by a system provided to temporarily remove the cooling medium from the closed cooling circuit or cooling circuits.
当該方法の好ましい形態は、従属請求項26および27において明らかになっている。 Preferred forms of the method are evident in the dependent claims 26 and 27.
図1および図2の参照において、気体の膨張回路の能力制御のためのシステムは、以下の主要な構成要素を含んでいる。
1.冷却プロセス100による、より高い圧力における、冷却媒体の部分の冷却
2.圧力低減デバイス102を横切ってのより低い圧力への膨張のための、冷却された前記冷却媒体の部分の除去。これによって、冷却媒体流13における冷却媒体の少なくとも小さな一部が、低い圧力において液化される。
3.液相の冷却媒体のための貯蔵器/タンク104
4.冷却媒体流13の、凝縮されていない冷却媒体ガス14および液相の冷却媒体からなる流れへの分離。好ましくは、この分離は、冷却媒体タンク104の中で起こる。
5.凝縮されていない冷却媒体および蒸発させられた冷却媒体の、タンク104から、冷却システム100の適切な場所へのリターン。
6.負荷の増加による必要に応じて、冷却媒体を貯蔵タンク104から冷却回路100に戻すためのデバイス106。
Referring to FIGS. 1 and 2, the system for controlling the capacity of the gas expansion circuit includes the following main components.
1. 1. Cooling of the part of the cooling medium at a higher pressure by the
3. Reservoir /
4). Separation of the cooling
5. Return of uncondensed and evaporated coolant from
6). A
より高い圧力での冷却媒体の冷却は、一般に、メインの冷却回路における冷却媒体の最も低い予冷温度よりも低い温度への冷却となっている。すなわち、圧力低減デバイス102を横切ってのより低い圧力への膨張のために引き出されるべき冷却媒体流は、一般に、冷却回路のための通常の動作モードの間におけるその他の冷却媒体流の予冷よりもさらに冷却される必要がある。しかしながら、圧力低減デバイス102を横切ってのより低い圧力への膨張のために引き出される前記冷却媒体流のための予冷温度は、冷却温度における最も低い動作温度よりも低い温度までは冷却され得ず、当該冷却媒体は、例えば図1における流れ32として示されているように、一般に、より高い圧力からより低い圧力へ膨張させられた戻り冷却媒体流となっている。この場合、冷却システムは、1つまたはそれよりも多いマルチストリームの熱交換器、例えば、マルチストリームプレートフィン熱交換器(multistream plate-fin heat exchanger)を用いており、冷却は、部分的に、メインの冷却回路の予冷パス190の1つの一部として部分的に発生する。すなわち、この予冷パスにおける専用の拡張部191aとして部分的に発生する。図1は、この形態を、冷却回路の予冷パス190が熱交換機パス191aの形態で直接的に延ばされたものとして示している。一方、メインの冷却回路の冷却媒体流31は、熱交換器110aから、熱交換器における中間の排出口において抽出されている。図2は、その他の形態であって、冷却媒体がはじめに冷却回路の予冷パス190において冷却され、また、熱交換器110aから流れ31として取り出され、熱交換器パス191bにおけるさらなる冷却のためにマルチストリーム熱交換器110aに戻される形態を示している。
Cooling of the cooling medium at a higher pressure is generally cooling to a temperature lower than the lowest precooling temperature of the cooling medium in the main cooling circuit. That is, the coolant flow to be drawn for expansion to a lower pressure across the
図3は、個々に、または同時に用いられ得る、いくつかのさらなる原理のその他の形態を示している。図3は、その他の形態であって、熱交換器システムにおける前記マルチストリーム熱交換器の1つまたはそれよりも多数において、前記ガス冷却媒体の一部の冷却が、個別の予冷パス191cにて完全に実施される形態を示している。また、冷却は、冷却システム100の支援により、個別の熱交換器において生じてもよい。さらに、図3は、冷却媒体の貯蔵器104が、冷却媒体のリターンのための受け入れ圧力よりも高い圧力で作動される形態を示している。ここで、ガス流の冷却回路への戻りを制限することにより、圧力制御バルブが104における圧力を制御している。図3はまた、熱交換器110aの個別のパス192における加熱により、冷却媒体12のリターンがなされるのを示している。冷却回路において、多数の熱交換器からなるシステム110b(図5)が用いられる場合、対応する形態もまた使用され得る。
FIG. 3 shows other forms of some further principles that can be used individually or simultaneously. FIG. 3 shows another configuration, in which one or more of the multi-stream heat exchangers in the heat exchanger system is used to cool part of the gas cooling medium in a separate
図4は、2つのその他の形態であって、共に、または個々に、または上述および図1乃至3における形態のいずれかと共に使用され得る形態を示している。図4において、凝縮されていない冷却媒体の部分14は、冷却システムには戻されず、その他の場合なら閉じられている冷却システムから、流れ14bとして、例えば、大気へ、または、プロセスプラントにおけるその他の場所での使用のために導かれる。図4はまた、1つの形態であって、システムが、プロセッシング装置のその他の部分に、窒素を、液体または気体の形態における流れ145として供給することができる形態を示している。
FIG. 4 illustrates two other forms that may be used together or individually or in conjunction with any of the forms described above and in FIGS. In FIG. 4, the non-condensed portion of the cooling
図5は、1つのその他の形態であって、冷却プロセスが、多数のマルチストリーム熱交換器を熱交換器のシステム110bとして使用し、また、冷却媒体が、はじめに、冷却回路の予冷パス190において冷却され、またシステム110bにおける熱交換器の1つから流れ31として取り出される形態を示している。支流11aが、流れ31から引き出されるとともに、その後の熱交換器における熱交換器パス191aでの更なる冷却のためにシステム110bへ戻される。
FIG. 5 is one other form in which the cooling process uses multiple multi-stream heat exchangers as the heat exchanger system 110b and the cooling medium is initially in the
図6は、単純な気体の膨張回路、例えば、単純な窒素膨張器の冷却回路において用いられる本発明を詳細に示している。本発明が、様々なタイプの冷却媒体および1つまたはそれよりも多い膨張段階を用いたその他のタイプの気体の膨張回路に関しても使用され得る、ということが示されている。冷却プロセスは、マルチストリーム熱交換器110におけるパス190で予冷された冷却媒体21のガス流において、より高い圧力で始まる。これによって、予冷された冷却媒体31が、より低い圧力で低温冷却媒体流32を生成するよう、ガス膨張器121を横切って膨張させられ得る。冷却媒体32の流れは、支配的には気相にあるが、いくつかの設計においては、膨張器/タービンの排出口におけるガスと平衡している、液体の小さな一部が許され得る。低温冷却媒体32は、熱交換器110に戻される。また低温冷却媒体32は、プロセスの冷却された生成物7を提供するため、冷却媒体パス190の高温冷却媒体流21の冷却、および、1つまたはそれよりも多い冷却媒体パス193におけるプロセス流体1の冷却および/または液化を提供する。110における加熱の後、冷却媒体流は、流れ51の低圧でのガスとして流出する。この冷却媒体流は、1つまたはそれよりも多い圧縮段階111において、中間冷却有りで、または中間冷却無しで再び圧縮される。圧縮された冷却媒体20は、その後、外部の冷却媒体または外部の冷却回路130を用いて最終冷却される。この状況において、本発明は、さらに191aにおいて予冷するため、低温冷却媒体流12aがより高い圧力で形成されるまで、熱交換器190における予冷の後、より高い圧力で冷却媒体流191aを引き出すことにより始まる。予冷された冷却媒体12aは、気体または液体状態にあることができるとともに、その後、バルブ102を横切って、より低い圧力、または、より高い圧力とより低い圧力との間の圧力まで膨張させられるが、しかし、これによって、温度が低減され、また、ガス13と、液体の少なくとも一部との混合物が生成される。バルブ102は、この状況においてまた、冷却回路から引き出される冷却媒体の量を低減させるであろう。流れ13における気体および液体は、貯蔵タンク/圧力タンク/セパレータ104に適切な圧力で貯蔵され得る液体部分と、冷却回路における適切な場所、例えば図5に示されているような流れ32へ低い圧力で戻されるガス流14と、に分離される。上述のシステムが、パス191aおよびバルブ102を介して冷却媒体を引き出し、また、液体が104において生成されるとき、冷却回路における冷却媒体の容量が、対応するよう低減され、また、冷却装置の能力が低減される。能力が再び増大されるべきとき、適切な装置106が、冷却媒体をタンク104から冷却回路へ、好ましくは、より低い圧力を有する冷却回路の部分へ、例えば、より低い圧力での低温側32への流れ17aとして、または、より低い圧力での高温側51への流れ17bとして、連結部16を介して戻すよう使用され得る。
FIG. 6 shows in detail the present invention used in a simple gas expansion circuit, such as a simple nitrogen expander cooling circuit. It has been shown that the present invention can also be used with other types of gas expansion circuits using various types of cooling media and one or more expansion stages. The cooling process begins at a higher pressure in the gas stream of the cooling
増大された能力が必要とされるときの冷却媒体の冷却回路へのリターンおよび制御のための装置106は、最も単純な形態においては、流体を冷却回路の中へ注入するためのバルブまたはポンプであってもよい。バルブの使用に関して、冷却回路の部分の1つに戻る流体の流れであって、より低い圧力で作動する流れが、高さの違いの結果としての重力流によって、または、図3および関連する説明に記載されているような、より高い圧力で作動する貯蔵器104によって、発生し得る。
The
装置106におけるポンプの使用に関して、冷却媒体を、より高い圧力で作動する冷却回路の部分、または、中間の圧力で作動する部分へ戻すこともまた可能となっている。
With respect to the use of the pump in the
図7は、冷却媒体を貯蔵器104から冷却回路へ戻すためのその他の形態を有する単純なガス膨張回路において適用される本発明であって、104における低温液体冷却媒体へ熱を供給するために用いられる装置107を備えた本発明を示している。このようにして、104における液体の冷却媒体が、ガスライン14を介して冷却回路へ戻る制御された経路において蒸発させられる。
FIG. 7 is the present invention applied in a simple gas expansion circuit having other configurations for returning the cooling medium from the
図8は、冷却媒体を貯蔵器104から冷却回路へ戻すためのその他の形態を有する単純なガス膨張回路において用いられる本発明を示している。ここで、タンク104の外部にある装置142が、低温液体の冷却媒体へ熱を供給するために用いられる。また、このようにして、104からの液体の冷却媒体が、ガスライン17a,17bまたは対応する連結部を介して冷却回路へ戻る制御された経路において蒸発させられる。装置143は、例えば、周囲からの空気を熱源として用いる熱交換器であってもよく、または、エネルギー源として利用可能な高温媒体を有するその他のタイプの熱交換器であってもよい。
FIG. 8 illustrates the present invention used in a simple gas expansion circuit having other configurations for returning the cooling medium from the
図9は、冷却媒体を貯蔵器104から冷却回路へ戻すためのその他の形態を有する単純なガス膨張回路において用いられる本発明を示している。ここで、排出器/放出器108が、冷却回路における適切な場所へ戻る冷却媒体の制御された流れを得るために使用されている。排出器108は、冷却回路の高圧側からの、例えば、圧縮機の排出口20からの、または、クーラー130の下流側の冷却媒体流21からの誘因ガス18の制限された量を使用する。冷却媒体は、例えば、より低い圧力での低温側32への流れ17aとして、または、より低い圧力での高温側51への流れ17bとして、より低い圧力を有する冷却回路の部分に戻され得る。排出器は、低温液体16の完全な、または部分的な蒸発を与え、これによって、戻り冷却媒体17a/17bがもはや純粋ではなくなり、冷却媒体が戻る期間において、冷却回路における、その後の危険を伴う好ましくない液体/気体流の低温液体が運び出される。
FIG. 9 illustrates the present invention used in a simple gas expansion circuit having other configurations for returning the cooling medium from the
図10は、冷却媒体を貯蔵器104から冷却回路へ戻すためのその他の形態を有する単純なガス膨張回路において適用される本発明であって、外部の容積部143、例えば、容器またはパイプが、好ましくは鉛直方向で用いられている本発明を示している。ここで、液体の冷却媒体16の流れは、制御された経路において、前記容積部へ導かれる。また液体の冷却媒体16の流れは、冷却回路の高圧側からの所定量の高温ガス18、例えば、圧縮機の排出口20からの、または、クーラー130の下流にある冷却媒体流21からの高温ガス18と混合される。高温ガス18は、その後、所望の量の冷却媒体が気体へと蒸発させられ、そして、例えば、より低い圧力での低温側32への流れ17aとして、または、より低い圧力での高温側51への流れ17bとして、最も低い圧力を有する冷却回路の部分へと戻され得るよう、熱を供給する。この構成は、低温液体16の完全な蒸発を導き、これによって、戻り冷却媒体17a/17bはもはや、冷却媒体の戻りが運び出される間の冷却回路における好ましくない液体/気体のその後の危険を伴う低温液体ではなくなる。
FIG. 10 shows the present invention applied in a simple gas expansion circuit having other configurations for returning the cooling medium from the
図11は、冷却媒体を貯蔵器104から冷却回路へ戻すためのその他の形態を有する単純なガス膨張回路において適用される本発明であって、適切な装置、例えばノズルを介して104に導入される高温冷却媒体流18が、圧力が貯蔵器104内よりもいくらか高い冷却回路の場所から供給される場合に使用される装置を備えた本発明を示している。これによって、高温ガスにおける熱が、104における低温液体の制御された蒸発に寄与する。このようにして、104における液体冷却媒体が、制御された経路で、ガスライン14を介して冷却回路の中へ蒸発させられて戻る。
FIG. 11 shows the present invention applied in a simple gas expansion circuit having other configurations for returning the cooling medium from the
例えばLNGの液化のための冷却システムは、しばしば、より包括的なものである/上述の説明によって扱われているものよりも細かいものを含む。しかしながら、本発明の形態のための原理は同一である。このことを示すため、冷却媒体として純粋な窒素を用いる二様の気体の膨張回路の利用による、天然ガスのLNGへの液化のための冷却システムが、図12に示されている。液化されるべき天然ガスを含むガス流1は、1つよりも多い段階において、熱交換器110によって冷却される。ここで、ガスは、所定の中間温度4へ予冷され、この場合、より重い炭化水素が、セパレータすなわち分離管(column)160において液体として分離され得る。予冷されたガス6が、その後、液体が生成流7においてLNGとして存在するまで、さらなる冷却、凝縮および過冷却のために熱交換器110へ戻される。冷却回路は、このとき、熱交換器110において異なる温度へ予冷された2つの部分30および40に分割された、より高い圧力でのガス冷却媒体流21を含んでいる。流れ30は、30における温度よりも低い温度まで予冷され、また、より低い圧力での低温冷却媒体流32を生成するようガス膨張器121を横切って膨張させられる。冷却媒体流32は、支配的には気相になっており、しかし、いくつかの設計においては、膨張器/タービンの排出口において気体と平衡している小さな液体部分が許され得る。低温冷却媒体32は、冷却に寄与するよう、熱交換器110に戻される。流れ40は、32における温度よりも低い温度まで予冷され、また、より低い圧力での低温冷却媒体流42を生成するようガス膨張器122を横切って膨張させられる。冷却媒体流42は、支配的には気相になっており、しかし、いくつかの設計においては、膨張器/タービンの排出口において気体と平衡している小さな液体部分が許され得る。低温冷却媒体42は、最も低い温度範囲での冷却を確実にするため、熱交換器110へ戻される。110におけるウォーミングアップの後、冷却媒体流は、このとき、より低い圧力でガス流33および43として存在している。これらのガス流は、その後、2つまたはそれよりも多い圧縮段階において、中間冷却有りで、または中間冷却無しで、再び圧縮され得る。冷却媒体流の分離は、熱交換器110の前には必ずしも生じる必要はないが、しかし、熱交換器110の集約された部分として生じてもよい、ということが指摘されるべきである。この場合、パスは、中間の排出口における流れ31の排出のため、および、残留しているガス41のさらなる冷却のため、ガス流を分割する。同様にして、低温ガス32および42の加熱は、流れが交換器の集約された部分として混合されるような方法で生じ得る。単純なガス膨張回路の場合と同様に、本発明の形態は、この状況において、191aにおける更なる予冷のため、より高い圧力で低温冷却媒体流12aが存在するようになるまで、熱交換器パス190における予冷の後により高い圧力で冷却媒体流191aを引き出すことにより始まる。上述および図1乃至3のさらなる冷却のための冷却媒体の支流の分離のための方法の全てが、この構成においても使用され得る、ということが指摘されるべきである。予冷された冷却媒体12は、バルブ102を横切ってより低い圧力へ、または、より高い圧力とより低い圧力との間の圧力へ、膨張させられが、これによって、温度が低減され、そして、ガスおよび液体の少なくとも一部の混合物が生成される。この関係において、バルブ102は、冷却回路から引き出される冷却媒体の量を制御する。流れ13における気体および液体は、適切な圧力で貯蔵タンク/圧力タンク/セパレータ104に貯蔵され得る液体の一部分と、冷却回路における適切な場所に戻される、より低い圧力のガス流14と、に分離される。例えば、14bおよび14aを介しての流れ32または42にそれぞれ分離される。上述のシステムが、パス191aおよびバルブ102を介して冷却媒体を引き出し、また、104において液体が生成されるとき、冷却回路における冷却媒体の容量が、対応して低減され、また、冷却装置の能力が低減される。能力が再び増大されるべきとき、冷却媒体16を104から冷却回路へ、好ましくは、より低い圧力を有する冷却回路の部分へ、例えば、より低い圧力での低温側32への流れ17a、または、より低い圧力での低温側42への流れ17c、または、より低い圧力での高温側51への流れ17bとして戻すための適切な装置106が用いられる。冷却媒体を冷却回路へ戻すための上述のすべての代替の方法がまた用いられ得る。
For example, cooling systems for LNG liquefaction are often more comprehensive / include more detailed than those addressed by the above description. However, the principle for the form of the invention is the same. To illustrate this, a cooling system for liquefaction of natural gas to LNG is shown in FIG. 12 by utilizing a two-phase gas expansion circuit using pure nitrogen as the cooling medium. The gas stream 1 containing the natural gas to be liquefied is cooled by the
本発明の全ての構成において、ガス流14が、圧力が十分に低い限りにおいて、上述の図および例によって説明される冷却回路の場所以外の場所に戻され得る、ということ、および本発明が、ここに記載されている例に限定されない、ということが指摘されるべきである。
In all configurations of the present invention, the
本発明の全ての形態において、リターンのために使用される方法に関して、冷却媒体17が、圧力が十分に低い限りにおいて、上述の図および例によって説明される冷却回路の場所以外の場所に戻され得る、ということ、および本発明が、ここに記載されている例に限定されない、ということが指摘されるべきである。
In all forms of the invention, with respect to the method used for return, the cooling
上記の記述および図で説明された本発明の全ての形態において、冷却媒体タンクは、水平方向のタンクまたは鉛直方向のタンクとして構成され得る。さらに、冷却媒体タンク104は、従来のタンクであってもよく、または、二重の壁にされ、真空で絶縁された、一般に冷凍剤/低温液体および液体ガスを貯蔵するために用いられるタンクであってもよい。
In all forms of the invention described in the above description and figures, the cooling medium tank may be configured as a horizontal tank or a vertical tank. Further, the cooling
さらに、冷却媒体タンク104は、冷却システム100および熱交換器システム110の近傍に配置されてもよく、また冷却媒体タンク104は、周囲からの熱伝達の結果としての蒸発を最小化するため絶縁されていてもよい。その他の形態において、冷却媒体タンク104は、周囲からの熱伝達を制限するための絶縁材料で満たされ、閉じられ、または制限された容積部の内側に、熱交換器110とともに配置されてもよい。絶縁された容積部は、しばしば、ボックスとして形状付けられ、また、一般に、“コールドボックス”として表される。絶縁材料は、従来の絶縁体であってもよく、または、ボックスの中へ充填される粒状の絶縁材料であってもよい。
Further, the cooling
その他の形態において、冷却媒体タンク104は、例えば、冷却媒体が窒素である場合、冷却媒体貯蔵器としても用いられ得る。これによって、必要とされるとき、冷却媒体タンクが、液体または気体の窒素を有するプロセッシング装置のその他の部分を供給することができる。
In other forms, the cooling
Claims (26)
冷却回路(100)において循環している冷却媒体の量を一時的に低減する工程であって、冷却媒体全体の一部分が、高い圧力で予冷されるとともに、冷却回路(100)から抽出される工程と、
冷却された前記冷却媒体の抽出された部分を、圧力低減デバイス(102)を通過させて前記高い圧力よりも低い、より低い圧力へ膨張させ、これによって、抽出された冷却媒体の少なくとも一部分が液化される工程と、
貯蔵ユニット(104)における一時的な貯蔵のため、凝縮されていない冷却媒体ガスから液相の前記冷却媒体を分離する工程と、
その後、必要な時に、一時的に貯蔵された液相の冷却媒体を貯蔵ユニット(104)から冷却回路(100)に戻す工程と、
凝縮されていない冷却媒体ガスおよび蒸発した冷却媒体を、貯蔵ユニット(104)から冷却回路(100)に戻す工程と、を備えたことを特徴とする方法。 In a method for controlling the cooling capacity of a cooling system using a cooling circuit (100) constituted by cooling obtained by expanding a gaseous cooling medium ,
Comprising the steps of temporarily reducing the amount of coolant circulating in the cooling circuit (100), one part of the total cooling medium, while being pre-cooled at a higher pressure, it is extracted from the cooling circuit (100) Process,
The extracted portion of the cooled the cooling medium is lower than the high pressure is passed through a pressure reduction device (102), it is expanded to a lower pressure, whereby at least some amount of the extracted cooling medium The process of liquefying,
Separating the liquid phase cooling medium from uncondensed cooling medium gas for temporary storage in a storage unit (104);
Then returning the temporarily stored liquid phase cooling medium from the storage unit (104) to the cooling circuit (100) when necessary;
Returning the uncondensed cooling medium gas and the evaporated cooling medium from the storage unit (104) to the cooling circuit (100 ) .
冷却回路(100)においては、能力が制御されており、
冷却回路内を循環させられる冷却媒体の量は、一時的に低減され、
気体の冷却媒体の一部分は、高い圧力で予冷されるとともに膨張デバイス(102)を通過して前記高い圧力よりも低い圧力へ膨張させられ、これによって、冷却媒体の少なくとも一部が、低温液体として分離し、
当該液は、後に冷却回路へ戻されるよう、貯蔵ユニット(104)に一時的に貯蔵するため、凝縮されていない気体から分離されることを特徴とする請求項1に記載の方法。 Cooling system, expansion cooling circuit of the gas (100) is used, it is used for the production of liquid natural gas (LNG), wherein cooling is to ensure cooling and liquefaction of natural gas, cooling the gas Obtained by expanding the medium ,
In the cooling circuit (100), the capacity is controlled,
The amount of cooling medium circulated in the cooling circuit is temporarily reduced,
First portion of the cooling medium gas is inflated to a lower pressure than the high pressure passes through the bulging Zhang devices together when it is pre-cooled at a high pressure (102), whereby, at least a portion of the cooling medium Separated as a cryogenic liquid,
The solution is to be returned to the cooling circuit after, for temporary storage in savings built unit (104), The method according to claim 1, characterized in that it is separated from the gas which is not condensed.
冷却回路(100)は、少なくとも1つの膨張段階であって、予冷された気体の冷却媒体が、高い圧力から低い圧力へ膨張させられて低温の気体の冷却媒体を生成する段階を備えることを特徴とする請求項1または6に記載の方法。 The cooling circuit (100) consists of a gas expansion cooling circuit using a cooling medium composed of more than 90% nitrogen,
The cooling circuit (100) comprises at least one expansion stage, wherein the precooled gaseous cooling medium is expanded from a high pressure to a low pressure to produce a cold gaseous cooling medium. The method according to claim 1 or 6 .
貯蔵ユニット(104)は、低い圧力で作動される冷却回路の部分に対する圧力の制限の無い接続部(14)を有することを特徴とする請求項7に記載の方法。 The storage unit (104) is operated at approximately the same pressure as the low pressure in the cooling circuit,
8. A method according to claim 7 , characterized in that the storage unit (104) has an unrestricted connection (14) to the part of the cooling circuit operated at low pressure.
貯蔵ユニット(104)は、貯蔵ユニットにおける作動圧力の制御のため、バルブからなる制限部が設けられた接続部(14)を有することを特徴とする請求項7に記載の方法。 The storage unit (104) is operated at a pressure between high and low pressure in the cooling circuit,
8. Method according to claim 7 , characterized in that the storage unit (104) has a connection (14) provided with a restriction consisting of a valve for the control of the operating pressure in the storage unit.
これによって、冷却媒体の気相における戻りに関して、貯蔵された液体の制御された蒸発が実現されることを特徴とする請求項1または12に記載の方法。 Apparatus for returning the cooling medium (106) to supply heat to the stored liquid in the storage unit (104), or, supplying heat to the outside connected heat transfer equipment storage unit (104) Ready to
13. A method according to claim 1 or 12 , characterized in that this realizes a controlled evaporation of the stored liquid with respect to the return of the cooling medium in the gas phase.
排出器/放出器は、冷却回路の高い圧力側からの誘引ガスを用いることを特徴とする請求項1または12に記載の方法。 The apparatus (106) for returning the cooling medium comprises using an ejector / discharger for returning the cooling medium to the cooling circuit (100 ) by a controlled path,
13. A method according to claim 1 or 12 , characterized in that the discharger / discharger uses an induced gas from the high pressure side of the cooling circuit.
貯蔵タンク(104)から冷却回路(100)へ戻されるべき冷却媒体は、制御された経路によって前記容積部へ導かれ、
さらに、冷却回路からの高温ガス流が、同一の前記容積部へ供給され、
これによって、高温ガスが、十分な量の冷却媒体を前記容積部から蒸発させるとともに蒸発した冷却媒体を前記容積部から冷却回路へ戻すために必要なエネルギーを供給することを特徴とする請求項1または12に記載の方法。 The apparatus (106) for returning the cooling medium comprises using a volume consisting of a pipe or a pressure vessel,
The cooling medium to be returned from the storage tank (104) to the cooling circuit (100) is led to the volume by a controlled path,
Furthermore, the hot gas stream from the cooling circuit is supplied to the same volume part,
Claim Thereby, the hot gases, and supplying the energy required to return the cooling medium evaporated with evaporating a sufficient amount of the cooling medium from said volume from the volume to the cooling circuits The method according to 1 or 12 .
熱交換器(110a)、または、熱交換器(110b)からなるシステムにおける冷却プロセスの支援によって、気体の冷却媒体を高い圧力で冷却するための冷却デバイスと、
冷却された気体の冷却媒体の一部分のための排出部と、
前記気体の冷却媒体の一部分を前記より高い圧力よりも低い圧力へ膨張させるための膨張デバイス(102)と、
凝縮されていない冷却媒体の分離、および、凝縮された冷却媒体の一時的な貯蔵のための貯蔵ユニット(104)と、
凝縮されていない冷却媒体ガス(14)および蒸発した冷却媒体を、貯蔵ユニット(104)から、冷却システム(100)に戻すためのリターンデバイスと、
冷却媒体を貯蔵ユニット(104)から冷却回路(100)へ必要に応じて戻すリターンデバイス(106)と、を備え、
冷却媒体を、閉じられた冷却回路または複数の回路から一時的に取り除くよう設けられていることを特徴とするシステム。 In a system for controlling the cooling capacity of a cooling device based on gas expansion cooling,
A cooling device for cooling a gaseous cooling medium at high pressure with the aid of a cooling process in a system consisting of a heat exchanger (110a) or a heat exchanger (110b);
A discharge unit for the portion of the cooling medium cooled gas,
An expansion device (102) for causing bulging Zhang a portion of the cooling medium to a lower pressure than the higher pressure than the said gas,
A storage unit (104) for separation of the uncondensed cooling medium and temporary storage of the condensed cooling medium;
A return device for returning the uncondensed coolant gas (14) and the evaporated coolant from the storage unit (104) to the cooling system (100 ) ;
A return device (106) for returning the cooling medium from the storage unit (104) to the cooling circuit (100) as needed,
A system characterized in that the cooling medium is provided to be temporarily removed from the closed cooling circuit or circuits.
熱交換器システムは、1つまたはそれよりも多い冷却媒体流の予冷を、熱交換器のパスにおいてより高い圧力で実行するよう構成されており、これによって、冷却媒体の前記一部分が、予冷パス(190)におけるより高い圧力での冷却媒体流の予冷の後に冷却回路から分離され、ここで、冷却回路(100)のための、予冷された冷却媒体(31)が、熱交換器システムから、排出部において前記熱交換器のパスから抽出され、かつ、冷却媒体の前記一部分が、熱交換器の予冷パス(190)の拡張部(191a)においてさらに冷却されるよう配置されることを特徴とする請求項22に記載のシステム。The heat exchanger system is configured to perform pre-cooling of one or more cooling medium streams at a higher pressure in the heat exchanger path so that the portion of the cooling medium can be pre-cooled. After the precooling of the coolant stream at a higher pressure at (190), the precooled coolant (31) for the coolant circuit (100) is removed from the heat exchanger system, Characterized in that it is extracted from the path of the heat exchanger at the discharge and the part of the cooling medium is arranged to be further cooled in the extension (191a) of the pre-cooling path (190) of the heat exchanger. The system of claim 22.
熱交換器システムは、1つまたはそれよりも多い冷却媒体流の予冷を、熱交換器のパスにおいてより高い圧力で実行するよう構成されており、The heat exchanger system is configured to perform pre-cooling of one or more coolant streams at higher pressures in the heat exchanger path;
少なくとも1つの冷却媒体流(31)は、熱交換器のパス(190)においてより高い圧力で予冷され、かつ、熱交換器システムから抽出され、これによって、冷却媒体の前記一部分が、予冷された冷却媒体流(31)から分離されるとともに、個別の熱交換器のパス(191b)におけるさらなる予冷のために熱交換器システムへ戻されることを特徴とする請求項22に記載の方法。At least one coolant stream (31) was pre-cooled at a higher pressure in the heat exchanger path (190) and extracted from the heat exchanger system, whereby the portion of the coolant was pre-cooled. 23. Method according to claim 22, characterized in that it is separated from the cooling medium stream (31) and returned to the heat exchanger system for further precooling in a separate heat exchanger path (191b).
膨張デバイス(102)を通過しての膨張のためにさらに冷却されるべき、冷却された気体の冷却媒体の支流(12)は、2つの上述の部分的な流れのうち最も低い温度へ予冷されている冷却媒体の予冷された部分的な流れから引き出され、そして、排出は、前記予冷された部分的な流れが低い圧力および温度へ膨張される前に高い圧力で発生し、
支流(12)を流れ(13)へ低い圧力で膨張させるための膨張デバイス(102)は、バルブからなり、
膨張デバイス(102)を通過した前記気体の冷却媒体のうちの、凝縮されていない冷却ガスの部分、および貯蔵タンク(104)から蒸発した冷却媒体は、冷却回路(100)へ導かれ、
冷却媒体を貯蔵ユニット(104)から冷却回路(100)へ戻すためのリターンデバイス(106)は、パイプまたは圧力容器からなる容積部を備え、貯蔵タンク(104)から冷却回路(100)へ戻されるべき冷却媒体は、制御された経路によって、前記容積部へバルブを介して導かれ、さらに、高温ガス流が、貯蔵ユニットよりも圧力が高い冷却回路から供給され、さらに、前記容積部から蒸発した冷却媒体が冷却回路に戻されることを特徴とする請求項25に記載のシステム。 The closed gas expansion circuit consists of a gas expansion circuit using pure nitrogen as the cooling medium, and the high pressure gaseous cooling medium stream is at different temperatures in the heat exchanger or heat exchanger (110) system. Divided into two parts to be pre-cooled, and further, the two cooling medium streams are cooled to different temperatures and passed through different expansion devices to form two cooling medium streams of different temperatures. Expanded to one or more lower pressures,
The cooled gaseous coolant tributary (12) to be further cooled for expansion through the expansion device (102) is pre-cooled to the lowest temperature of the two above-mentioned partial streams. The cooling medium is drawn from a precooled partial stream, and the discharge occurs at a high pressure before the precooled partial stream is expanded to a low pressure and temperature;
The expansion device (102) for expanding the tributary (12) into the flow (13) at low pressure consists of a valve,
Of the gaseous cooling medium that has passed through the expansion device (102), the portion of the non-condensed cooling gas and the cooling medium evaporated from the storage tank (104) are directed to the cooling circuit (100 ) ,
A return device (106) for returning the cooling medium from the storage unit (104) to the cooling circuit (100) comprises a volume consisting of a pipe or a pressure vessel and is returned from the storage tank (104) to the cooling circuit (100). The cooling medium to be supplied is led to the volume part through a valve by a controlled path, and the hot gas flow is supplied from a cooling circuit having a pressure higher than that of the storage unit, and further evaporated from the volume part. the system of claim 25, the cooling medium, characterized in that the back cold 却回path.
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